HYPOGEN MODEL DEVELOPMENT
COMPOUND NO
9.2 TOXICITY ASSESSMENT MATERIALS AND METHODS
“Beneficios Técnicos
Económicos”
En éste capítulo se centra el análisis en una estimación de costos de verificación de las condiciones de operación del servicio eléctrico, en términos de calidad. Esto con el fin de tener referencias monetarias del costo de un estudio de calidad de la energía que permita tener referencias metodológicas para elaborar presupuestos de estudio en situaciones o áreas específicas de sistemas de utilización de la energía
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4.1. Costos de calidad
En términos generales, se dice que “la calidad no cuesta, lo que cuesta es la mala
calidad”. Asimismo, como se ha descrito la calidad de la energía implica abatimiento de
interrupciones, operar los sistemas dentro de los márgenes regulatorios establecidos, mayor aprovechamiento del recurso energético, niveles de tensión y corrientes sin variaciones, de tal manera que se eviten daños en los equipos o disminución de su vida útil por operar fuera de sus condiciones nominales, entre otros beneficios.
En los capítulos precedentes se han establecido las características generales de la calidad de la energía eléctrica y se ha realizada un estudio experimental que nos ha permitido tener mediciones en tiempo real; esto es, tener registros de los diversos parámetros eléctricos que nos permiten valorar la calidad del servicio eléctrico.
El presente trabajo de tesis evalúa de forma práctica y objetiva la calidad de la energía en el Laboratorio de Análisis de Circuitos Eléctricos III, adoptando un procedimiento similar al que se realiza para efectuar un estudio de éste tipo a nivel industrial; por lo que es factible determinar un presupuesto del mismo, considerando costos de los diversos elementos y factores que se utilizan para llevarlo a cabo.
4.1.1. Recursos utilizados
Cabe señalar que los recursos utilizados para el presente estudio fueron facilitados por la ESIME Unidad Zacatenco; esto es, los espacios físicos, equipo de medición y materiales ubicados en los laboratorios de Electrotecnia, academia perteneciente a la carrera de Ingeniería Eléctrica.
Sin embargo, con el propósito de tener y conocer los antecedentes requeridos para la formulación de un presupuesto de verificación o estudio de calidad de la energía en cualquier sistema de utilización de la energía, a continuación se presentan costos estimados para un estudio de ésta naturaleza.
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4.2. Costos directos
En la tabla 4.1 se presenta el desglose de los costos de los materiales y equipo requeridos para realizar un estudio de calidad de la energía.
Tabla 4.1. Costos directos del estudio de calidad de la energía.
No. Equipo/material Función Costo
Compra Renta
1 AEMC Power Pad 3945-B Analizador de redes $45,460.46 $4,500.00
2 Licencia Software DataView Instruments Transferencia de Datos a la PC $7,148.38 $300.00 3 PC Registro de datos $6,999.00 $500.00 4 Cable de Interface Interconexión PC-Power Pad $150.00 $150.00
5 Cámara Fotográfica Captura de imágenes $2,999.00 $150.00
6 Papelería Hojas, impresiones,
engargolados $400.00 $400.00 7 Herramienta Armar y desarmar equipo $200.00 $200.00 Subtotal $6,200.00 IVA 16% $992.00 Total $7,192.00
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4.3. Costos indirectos
El consumo de energía eléctrica es un factor importante a considerar, en los costos indirectos, debido a lo que representa en cuestión de gastos el monitoreo de la calidad de la energía en el lugar de estudio; por lo que se estima a continuación y para cada caso su representación monetaria, basándose en la tabla 4.2, tarifa asignada para la ESIME Unidad Zacatenco, debido a que se alimentan laboratorios, salones y oficinas, es decir, una carga mayor a 25 kW a un nivel de baja tensión.
Tabla 4.2. Tarifa 3 CFE, baja tensión, cargas mayores a 25 kW.52
4.4. Costos de Ingeniería
En la tabla 4.3 se efectúa el cálculo de los honorarios del proyecto, es decir, el costo de salarios del personal que realiza el estudio experimental, se desglosa éste presupuesto en cuestión de actividades como se muestra a continuación:
52
Comisión Federal de Electricidad “Tarifas generales de baja tensión CFE”, http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas
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Tabla 4.3. Costos de Ingeniería.
No. Descripción Costo
1 Planeación $1,000.00 2 Levantamiento eléctrico) $500.00 3 Realización $10,000.00 4 Análisis de resultados $5,000.00 5 Informe $200.00 Subtotal $16,700.00 IVA 16% $2,672.00 Total $19,372.00 4.5. Costos de inversión
En éste punto se realiza una estimación económica de la propuesta de mejora para el abatimiento de armónicas de tercer y quinto orden, es decir el costo de adquisición del filtro diseñado por el CENAM, esto se desglosa en la tabla 4.4.
Tabla 4.4. Costo por propuesta de mejora.
No. Descripción Costo
1 Filtro trifásico pasa bajo, abatimiento de tercera y quinta armónicas $18,000.00
IVA 16% $2,880.00
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4.6. Facturación de energía sin corrección
El consumo de energía sin establecer corrección alguna, se refiere al consumo que se realiza en el laboratorio durante cierto período de facturación, como puede observarse en la tabla 4.2, el cargo por energía varia en relación al mes de facturación; se considera un consumo diario en el laboratorio de 8 horas de Lunes a Viernes, tomando el registro de mediciones que establece una combinación de todas cargas existentes en el laboratorio, en relación de su demanda máxima; considerando el calendario escolar del Instituto Politécnico Nacional.
Debido a que el promedio de estos registros se realizó para un intervalo de 3 minutos se tienen lo siguiente:
En la tabla 4.5 se tiene la estimación del costo por facturación de éste caso de estudio, considerando la tarifa 3 de la CFE para el año 2012 (tabla 4.2).
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Tabla 4.5. Facturación anual de demanda máxima en el Laboratorio de Circuitos Polifásicos (Combinación de todas las cargas existentes).
Mes
Consumo promedio por hora
(kW-h)
Días (L-V)
Tiempo (horas)
Cargo por energía
($/kWh) Costo Diciembre 425.2 12 8 $1.719 $ 70,168.20 Enero 425.2 5 8 $1.734 $ 29,491.87 Febrero 425.2 20 8 $1.738 $ 118,239.61 Marzo 425.2 21 8 $1.655 $ 118,222.60 Abril 425.2 16 8 $1.631 $ 88,768.15 Mayo 425.2 20 8 $1.644 $ 111,844.60 Junio 425.2 16 8 $1.644 $ 89,475.68 Julio 425.2 5 8 $1.688 $ 28,709.50 Agosto 425.2 15 8 $1.693 $ 86,383.63 Septiembre 425.2 20 8 $1.634 $ 111,164.28 Octubre 425.2 23 8 $1.600 $ 125,178.88 Noviembre 425.2 19 8 $1.666 $ 107,674.24 Subtotal $ 1,085,321.24 IVA 16% $ 173,651.39 Total $ 1,258,972.63
De acuerdo al calendario escolar 2012 del IPN, se calculan los días hábiles de uso por mes en relación a ésta estimación con el índice de consumo, el costo del consumo varia en relación a la tarifa establecida del mes por CFE y días de suspensión de labores y período vacacional según sea el caso.
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4.7. Facturación de energía con corrección
El consumo de energía al establecer la corrección propuesta, indica una reducción en el consumo de energía alrededor del 7%, por lo que tomando la estimación de consumo en la demanda máxima del sistema (Laboratorio de Circuitos Polifásicos), se obtiene lo siguiente:
Considerando el mismo criterio de evaluación monetaria por consumo de energía, al implementar la corrección se tienen los costos de facturación mostrados en la tabla 4.6
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Tabla 4.6. Facturación anual de demanda máxima en el Laboratorio de Circuitos Polifásicos (Consumo al implementar la corrección).
Mes
Consumo promedio por hora
(kW-h)
Días (L-V)
Tiempo (horas)
Cargo por energía
($/kWh) Costo Diciembre 395.4 12 8 $1.719 $ 65,250.48 Enero 395.4 5 8 $1.734 $ 27,424.94 Febrero 395.4 20 8 $1.738 $ 109,952.83 Marzo 395.4 21 8 $1.655 $ 109,937.01 Abril 395.4 16 8 $1.631 $ 82,546.86 Mayo 395.4 20 8 $1.644 $ 104,006.01 Junio 395.4 16 8 $1.644 $ 83,204.81 Julio 395.4 5 8 $1.688 $ 26,697.40 Agosto 395.4 15 8 $1.693 $ 80,329.46 Septiembre 395.4 20 8 $1.634 $ 103,373.37 Octubre 395.4 23 8 $1.600 $ 116,405.76 Noviembre 395.4 19 8 $1.666 $ 100,127.93 Subtotal $ 1,009,256.86 IVA 16% $ 161,481.09 Total $ 1,170,737.95
Se puede observar que el costo por facturación de energía eléctrica consumida en el Laboratorio al implementar la corrección, disminuye en relación al 7% del costo total obtenido en la tabla 4.5. Para efectos de determinación del punto de equilibrio, se determinan los costos totales de la prueba: costos directos (materiales y equipos), costos de Ingeniería y los costos de inversión, es decir:
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4.8. Punto de equilibrio
El punto de equilibrio, es aquel punto de actividad en donde los ingresos son iguales a los costos; es decir, es el punto de actividad en donde no existe utilidad ni pérdida; referido al caso de efectuar un estudio experimental de calidad de la energía, el punto de equilibrio relaciona dos curvas; la primera es la de consumo de energía en condiciones actuales (sin corrección) vs. tiempo, la segunda gráfica se refiera a la interpretación del consumo de energía al implementar la propuesta vs. tiempo, al cruzarse éstas curvas en un punto determinado y en relación al tiempo, se determina el punto de equilibrio.
Hallar el punto de equilibrio es encontrar el punto de actividad en donde las ventas son iguales a los costos. Ésta estimación permite conocer qué tan rentable es la inversión en algún proyecto o producto, define de manera estratégica en cuánto tiempo se recuperará la inversión realizada en funciones de rentabilidad del proyecto, producto o bien adquirido. Mientras que analizar el punto de equilibrio es analizar dicha información para que en base a ella se puedan tomar decisiones.
Hallar y analizar el punto de equilibrio permite, por ejemplo:
Obtener una primera estimación que permita saber a partir de qué mes de facturación se empezarán a generar beneficios.
Conocer la viabilidad del proyecto (cuando la demanda supera el punto de equilibrio).
Saber a partir de qué nivel puede ser recomendable cambiar un costo o buscar una solución alternativa viable de menor valor monetario e implementarla; al no ser viable el proyecto, sirve para replantear de forma prematura la estructura del mismo.
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Fig. 4.1. Punto de equilibrio.
En la Fig. 4.1 se muestra el análisis del costo de recuperación de la prueba (punto de equilibrio), se puede observar que en el noveno mes (agosto) después de implementar la mejora propuesta, los gastos del estudio y la implementación de Ingeniería han sido amortizados netamente, por lo que ya no se tendrá un gasto adicional conforme al consumo de energía del Laboratorio de Circuitos Polifásicos; además el consumo será menor en un 7% lo cual implica ganancias del mismo orden para el cliente.
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4.9. Beneficios
Al realizar el estudio de calidad de la energía y efectuar la corrección pertinente marcada, se obtienen una serie de beneficios que hacen de éste trabajo un proyecto bastante sustentable, se mencionan a continuación:
Reducción de la distorsión armónica total en aproximadamente un 80% Reducción del consumo de energía en 7%
Punto de equilibrio en el noveno mes de facturación.
Aumenta la vida útil del equipo existente en el Laboratorio de Análisis de Circuitos Eléctricos III (cargas monofásicas 5%, trifásicas alrededor del 20%). Calidad en el suministro de energía.
Reduce pérdidas por calentamiento ó Efecto Joule.
Eficienta la coordinación de protecciones, evitando falsos disparos en los equipos, entre otros.
Éste proyecto además de otorgar beneficios económicos y técnicos, establece una importante referencia bibliográfica y metodológica, la cual será muy útil para realizar estudios de calidad en diferentes área de trabajo en un futuro, ya que se estima un auge de ésta técnica en los próximos años.
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Conclusiones y Recomendaciones
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Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones
Como se describe en ésta tesis la calidad de la energía implica garantizar: continuidad en el servicio, tensiones estables, mínimas variaciones de frecuencia, valores de THD de tensión e intensidad de corriente de acuerdo a la IEEE Std. 519- 1992 y la especificación CFE L0000-45, un factor de potencia de entre 0.9 y 1.0 ó un defasamiento entre la tensión y la corriente inferior a veinticinco grados eléctricos, la reducción de transitorios y mantener un porciento de regulación de tensión inferior al 3%.
En éste sentido se realiza el estudio de la calidad de la energía al Laboratorio de Análisis de Circuitos Eléctricos III (Circuitos Polifásicos) de la carrera de Ingeniería Eléctrica de la ESIME Zacatenco, realizando:
a. Un levantamiento eléctrico que permita determinar las condiciones de alimentación y utilización de la energía en el laboratorio.
b. Una investigación bibliográfica que permite definir e interpretar los diferentes parámetros eléctricos relacionados con la calidad de la energía.
c. Las diferentes etapas y actividades del proceso del desarrollo experimental establecido.
d. El estudio experimental con mediciones en tiempo real, lo que permite comparar resultados con la parte analítica del comportamiento eléctrico de las diferentes configuraciones de carga.
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163 e. Un estudio económico que permite cuantificar los costos de un estudio de calidad
que considera: costos directos, indirectos y de ingeniería y a la vez establezca los tiempos de recuperación de la inversión, considerando que se realizan acciones para mejorar la operación del sistema, aspecto que en el contexto de esta tesis se denomina “propuesta de mejora”.
En el contexto de la investigación documental se presentan las fuentes de generación de armónicas y las afectaciones a diversos equipos del sistema eléctrico. Se destacan los valores máximos permitidos por la especificación CFE L0000-45, para baja, media y alta tensión y para diferentes magnitudes de corriente, ver tabla 1.3, 1.4, 1.5 y 1.6. Atendiendo estos parámetros se realizan diferentes experimentos con distintas configuraciones de las cargas pasivas y electrónicas con que cuenta el laboratorio, con la finalidad de disponer del comportamiento, en el tiempo, de las señales eléctricas de tensión, corriente y potencias y los diferentes parámetros asociados a la calidad de la energía del sistema de alimentación trifásica.
Uno de los aspectos de mayor impacto observados, en este estudio, se refiere al uso de cargas electrónicas, 13 PC, ya que se tuvo un registro de THDI del 67.97%, un FP de 0.82 y con potencias activas muy inferiores a las nominales, ver tabla 3.2. Este caso al igual que los registrados con otras configuraciones dan, como resultado, que efectivamente el uso de cargas no lineales provoca altos índices de THD. En suma, en cada caso estudiado se presenta el análisis respectivo de los resultados de las mediciones. En general se observan elevados índices de THD por lo que se propone, para mitigar las armónicas, colocar un filtro pasivo de pasa bajas.
Finalmente, como parte del estudio económico, se presentan los costos de un estudio de calidad, con la finalidad de contar con elementos referenciales que permitan establecer presupuestos de pruebas para mejorar de la calidad de la energía eléctrica, en casos específicos del ejercicio de la profesión e incentivando su realización con una proyección de costos de recuperación por: disminución en la facturación, una mejor operación de los equipos y garantizando la prolongación de la vida útil de los mismos.
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Conclusiones y Recomendaciones
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Recomendaciones
Dado que los sistemas con cargas que provocan altos valores de distorsión armónica, cargas no lineales (electrónicas), se están constituyendo en el pilar del desarrollo tecnológico, se recomiendan algunas medidas preventivas dentro de las que se encuentra el aumento de la capacidad del conductor del neutro, esto para disminuir las pérdidas por efecto joule.
Corregir los altos valores de distorsión utilizando filtros activos o pasivos para disminuir: el ruido eléctrico, las pérdidas de información en equipos de cómputo, la discontinuidad en el servicio y los bajos valores del factor de potencia.
Efectuar pruebas de calidad de la energía para determinar si los sistemas están operando dentro de la norma.
Particularmente en la prueba realizada se recomienda utilizar, lo menos posible, todos los equipos de cómputo a la vez, ya que afecta de manera sobresaliente al sistema eléctrico al provocar elevada distorsión armónica.
Hacerle ver, a los usuarios, sobre las ventajas de operar el sistema eléctrico con criterio de calidad de la energía.
En suma, buscar siempre la mejora para la calidad tanto del servicio como de la energía, lo que contribuye a enaltecer la calidad de la Ingeniería Eléctrica.
Instituto Politécnico Nacional I I Bibliografía y Referencias
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Bibliografía y Referencias
[1] Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., Emerald Book “Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment”, IEEE Std 1100™-2005, pág. 10.
[2] Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión, Reglamento de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica 1993, Diario Oficial de la Federación, pág. 12. [3] Ingeniería Internacional “Calidad de Energía”, Link: http://ingenieriainternacional.mx/ ingenieria-internacional-e-informatica-2/%C2%BFsabias-que/calidad-de-energia/,
Fecha: Mayo 15/2012, Hora: 11:50 pm.
[4] Gilberto Enríquez Harper, El ABC de la Calidad de la Energía Eléctrica, 2ª edición, Editorial Limusa, pág. 26-64.
[5] Jorge Mario Ruiz, Francisco Hernando, Metodologías para identificar fuentes armónicas en sistemas eléctricos, pág. 20-34.
[6] M. en A. Antonio Méndez Ruiz, Gerente de Ingeniería, Fonkel Mexicana S.A de C.V, presentación calidad de la energía y sistemas de tierras.
[7] REASA Power Quality “Límites de Distorsión Armónica”.
http://www.reasa.com.mx/pdf/FTREA00510-Limites-de-distorsion-armonica.pdf, Fecha: Mayo 29/2012, Hora: 05:31 pm.
[8] IEEE 519 “Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicos en sistemas eléctricos de potencia”.
[9] Gerardo Manuel Robledo, Calidad de la Energía Eléctrica: Camino a la Normalización Leal.
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Bibliografía y Referencias
166
[10] PROCOBRE “Calidad de Energía”.
http://www.procobre.org/archivos/peru/calidad_de_energia.pdf, Fecha: Mayo 29/2012, Hora: 06:00 pm.
[11] Castaño Ramírez, Samuel y Cano Plata, Eduardo Antonio, “Calidad del servicio de energía eléctrica” Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, 2003.
[12] “Generalidades sobre la distorsión armónica”, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad Tecnológica de Monterrey, México, Julio 2004.
[13] Manual de Instrucciones del Analizador de Red Eléctrica Trifásico, Modelo 3945-B, AEMC ® Instruments, pág. 4-11.
[14] Using DataView ® With Power Meters, Power Analyzer Control Panel, Model 3945, AEMC ® Instruments, pág. 12-18.
[15] IEEE Std. 519-1992 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, pág. 47-73.
[16] Especificación CFE L0000-45 “Desviaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente en el suministro y consumo de energía eléctrica, pág 4-6.
[17] Blancas Núñez Jorge, Diseño y construcción de un filtro supresor de armónicos para la línea eléctrica, CENAM, Simposio de Metrología 2004.
Instituto Politécnico Nacional I I Glosario de términos
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Armónicas: Las armónicas son señales de tensión y/o corriente con una frecuencia que es un múltiplo entero de la fundamental; las armónicas se suman a la señal fundamental y la distorsionan, generando con ello lo que comúnmente se conoce como distorsión armónica (ésta distorsión armónica es una señal periódica no senoidal).
Bajo-voltaje (undervoltage ó sag): Un decremento en el valor eficaz (rms) del voltaje de corriente alterna a la frecuencia del sistema con duración mayor a algunos segundos.
Calidad de la energía eléctrica: Puede definirse como la ausencia de disturbios que provoquen una deformación de la onda sinusoidal pura de tensión y/o corriente. De igual manera se puede definir como una ausencia de disturbios.
Cargas eléctricas: la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.
Cargas lineales: Es una carga eléctrica que, en estado normal de operación tiene una impedancia constante a lo largo del ciclo de la señal de tensión aplicada, por lo tanto, la corriente requerida por la carga varía en función de la tensión.
Cargas no lineales: Es una carga eléctrica que, en estado normal de operación tiene una impedancia que varía a lo largo del ciclo de la señal de tensión aplicada, por lo tanto, la corriente requerida por la carga no es continua.
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Glosario de términos
Centro Nacional de Metrología: Se conoce también como CENAM, es el laboratorio nacional en materia de medidas de México. Es un organismo dependiente de la Secretaría de Economía, que se encarga del establecimiento y mantenimiento de los patrones de medidas usados en México, así como la hora oficial (los horarios de verano